Laboratorio di Fisica Nucleare
a.a. 2007/2008
Il CERN
e gli ACCELERATORI di
PARTICELLE
Esposito Marianna e Fava Valentina
Contesto:
V liceo scientifico tradizionale o PNI (in vista di una visita al
CERN)
Durata della lezione: 2h
Prerequisiti:
Struttura dell’atomo e concetti di base della chimica
Moto di cariche in un campo elettrico e magnetico
Superconduzione
Equivalenza massa-energia
Forze fondamentali
Elementi di Meccanica quantistica
Decadimento radioattivo
Leggi di conservazione dell’energia e della quantità di moto
Obiettivi:
Descrivere il principio di funzionamento di un
acceleratore di particelle
Spiegare il ruolo degli acceleratori per lo studio,
tramite fenomeni di collisione ad energie via via
crescenti, della struttura nucleare e subnucleare
della materia e della produzione di nuove particelle
Riconoscere la differenza tra particelle elementari e
non elementari, tra particelle di materia e particelle
mediatrici delle interazioni fondamentali.
Che cos’è il CERN?
Il CERN (Organizzazione Europea per la Ricerca
Nucleare) è il più grande laboratorio di Fisica delle
particelle al mondo e si trova nei pressi di Ginevra.
Che cosa si studia al CERN?
In questo laboratorio gli scienziati di tutto il mondo
collaborano per studiare i costituenti fondamentali
della materia e le forze che li tengono insieme,
utilizzando gli acceleratori di particelle, macchine
che accelerano i fasci di particelle fino a farli collidere
l’uno contro l’altro oppure contro un bersaglio fisso.
Date importanti:
1954 fondazione del CERN
1957 il primo acceleratore SINCROCICLOTRONE (SC)
1959 il SINCROTONE a PROTONI (PS)
1971 il primo COLLISORE di PROTONI, l’ISR.
1976 il SUPER SINCROTONE a PROTONI (SPS).
1983 scoperta delle particelle W e Z. Premio Nobel a
Rubbia e Van der Meer (nel 1984).
1989 il grande COLLISORE DI ELETTRONI E
POSITRONI, il LEP.
1999 inizia la costruzione del GRANDE COLLISORE DI
ADRONI l’ LHC.
2008 entrata in funzione dell’LHC.
Schema degli acceleratori di particelle al CERN
Gli acceleratori di particelle
Nel 1932 Lawrence ricevette il Nobel per l’invenzione
del primo CICLOTRONE che permetteva di
accelerare protoni mantenuti su un’orbita a
spirale da un campo magnetico perpendicolare
all’orbita. Alla fine del ciclo di accelerazione,
proseguivano in linea retta.
Nei SINCROTRONI le particelle percorrono un’orbita
circolare perché il campo magnetico dei molti
magneti che piegano la traiettoria delle particelle
aumenta in sincronismo con l’aumento dell’energia
causato da un campo elettrico, che oscilla in una
serie di cavità attraversate ad ogni giro dalle
particelle.
COLLISORE PROTONE-PROTONE (l’ISR)
È un sincrotrone lungo circa 1 Km in cui due fasci di
protoni, ciascuno di 30 GeV di energia cinetica
ruotano in senso opposto in due sincrotroni che si
intersecano in otto punti.
SUPER SINCROTONE a PROTONI (SPS)
In una ciambella lunga 7 Km fasci sufficientemente
intensi di protoni e antiprotoni collidono a circa 700
GeV di energia. Grazie a questo acceleratore furono
scoperti da Rubbia i due bosoni intermedi Z e W.
GRANDE COLLISORE DI ELETTRONI E POSITRONI:
il LEP.
È il collisore con il quale sono ottenute le massime
energie nell’annichilazione elettrone-positrone (antielettrone, Anderson 1932). È stato installato in un
tunnel di 27 Km di circonferenza, nel quale erano
localizzati migliaia di elettromagneti che piegavano e
focalizzavano le centinaia di miliardi di queste particelle
che circolavano in verso opposto in una ciambella di
alluminio(con una sezione di circa 5-10 cm).
GRANDE COLLISORE DI ADRONI l’ LHC
LHC è il nuovo acceleratore, è stato installato in un
tunnel di 27 Km di circonferenza scavato tra 50 e 150
metri sotto terra prima occupato dal LEP. Produrrà
collisioni frontali tra due fasci di particelle dello
stesso tipo, protoni o ioni di piombo
Perché acceleratori sempre più
grandi e sofisticati?
L’energia si può trasformare in massa e,
quindi, più energia si ha a disposizione
maggiore è la massa delle nuove particelle
che possono essere create nella collisione
I rivelatori di particelle
I rivelatori di particelle registrano ciò che avviene quando le particelle
collidono. Le collisioni ad alta energia producono molte nuove
particelle. L’energia si trasforma in materia secondo l’equazione di
Einstein.
I vari strati del rivelatore misurano le diverse proprietà delle
particelle prodotte nelle collisioni. I rivelatori di traccia danno
informazioni sul percorso delle particelle dal punto di collisione
verso l’esterno del rivelatore. Altri strati chiamati calorimetri,
misurano l’energia delle particelle. Un magnete costruito al
centro del rivelatore, curva la traiettoria delle particelle cariche
ed aiuta così ad identificare il tipo di particella.
Vertex Detector: posizione delle
tracce
Drift Chamber : curvatura della
traccia nel campo magnetico
rivela il momento della particella.
Cerenkov detector: misura la
velocità delle particelle
Calorimeter: misurano l’energia
delle particelle
Magnet coil: magnete che separa i
due strati
Warm iron calorimeter: registra i
muoni
LHC: l’acceleratore più potente al mondo.
Una catena di acceleratori produrrà i fasci di particelle
accelerati ad un’energia di 0,45 TeV prima di essere iniettati in
LHC dove circoleranno in un vuoto paragonabile a quello dello
spazio intergalattico ed effettueranno milioni di giri. In ogni giro
riceveranno una spinta da un campo elettrico generato in
speciali cavità fino a raggiungere i 7 TeV.
I due fasci saranno guidati da 1800 magneti superconduttori
raffreddati a temperature estremamente basse. Le bobine
sono realizzate in niobio-titanio (un materiale superconduttore
capace di condurre elettricità senza resistenza ad una
temperatura molto bassa 1,9 K (-271°).
In questo modo l’intensità del campo magnetico sarà circa 8
T, un’intensità quattro volte superiore a quella dei magneti
tradizionali.
Ci sono 4 grandi rilevatori di particelle: ALICE, ATLAS,
CMS, LHCb, dove si potranno osservare le collisioni.
Alcuni dati …
3.000 pacchetti di particelle di 100 miliardi di
particelle ciascuno per ogni fascio.
20 su 200 miliardi di particelle sono le collisioni
30 milioni di volte al secondo sono le volte in cui
i fasci si incroceranno
600 milioni di collisioni al secondo
11.245 giri che un protone effettua al secondo.
In 10 ore le particelle percorreranno 10 miliardi
di Km equivalenti ad un viaggio di andata e
ritorno Terra-Nettuno.
I dati sperimentali raccolti al CERN e negli altri
acceleratori esistenti hanno potuto confermare
le ipotesi teoriche sulla struttura della materia e
sulle interazioni: il Modello Standard, per la
prima volta proposto nel 1974 da John
Iliopoulos.
Alla fine degli anni 60 presso
l’Università di Stanford entrò in
funzione un nuovo
ACCELERATORE LINEARE con il
quale per la prima volta fu possibile
bombardare con elettroni di 10 GeV
un bersaglio di idrogeno puro.
Furono osservati molti più elettroni
del previsto diffusi a grandi angoli
(dai 10°ai 20°) che corrispondevano
a scambi di energia di 2 GeV. si
dovette concludere che nei protoni
del bersaglio sono contenuti dei
noccioli duri: i QUARK.
nome
simbolo
carica
Up
u
+2/3 e
Down
d
-1/3 e
Strange
s
-1/3 e
Charmed
c
+2/3 e
Bottom
b
-1/3 e
Top
t
+2/3 e
Livelli di struttura della materia
Protoni
Atomo
u
u
nucleo
d
neutroni
u
d
Elettrone
d
2 LEPTONI
Neutrino
elettronico
ADRONI
MESONI
1950 scoperta
del PIONE
UN QUARK
+ ANTIQUARK.
BARIONI
Protone,neutrone,…
TRE QUARK
Ogni barione (antibarione ) rappresenta uno stato legato formato dalla combinazione di 3 quark
(antiquark) e ogni mesone rappresenta uno stato legato formato da un quark e un antiquark.
Ogni quark può mostrarsi in tre varietà distinte per il colore: rosso, verde e blu.
Ciascuno dei tre quark che compongono un barione deve avere colore diverso e ogni mesone deve
essere formato da un quark di un colore e un antiquark del corrispondente anticolore.
12 TIPI DI PARTICELLE-MATERIA:
1a FAMIGLIA
LEPTONI:
QUARK:
ELETTRONE,
NEUTRINO ELETTRONE
UP,DOWN
2a FAMIGLIA
LEPTONI:
QUARK:
MUONE,
NEUTRINO MUONE
CHARMED, STRANGE
3a FAMIGLIA
LEPTONI:
TAUONE,
NEUTRINO TAUONE
QUARK:
TOP,BOTTOM
Le interazioni fondamentali e i
“mediatori”
FORZE
MEDIATORI
FORTI
GLUONI
MESONI
ELETTROMAGNETICHE
FOTONI
SIMBOLI
PARTICELLE
SOGGETTE
Tutte le forze note
si riducono allo scambio
ALLA FORZA
Tra particelle-materia di una o più
g1,…,g8
Quark
particelle-forza.
+ ,π –, π0
Adroni
Taleπscambio
può causare
Un cambiamento
del Quark
moto ed elettroni
γ
delle particelle.
DEBOLI
ASTENONI
W +,W-, Z0
Quark, elettroni e
neutrini
GRAVITAZIONALI
GRAVITONI
G
Quark, elettroni e
neutrini
Bosoni W+ e WIl Bosone detto anche astenone carico esiste sotto due
forme una positiva W+ e l’altra negativa W- , che sono
l’una l’antiparticella dell’altra. In un decadimento beta
l’astenone è virtuale e quindi esiste per un tempo
brevissimo, trascorso il quale è riassorbito dai quark
oppure decade in un elettrone e in un antineutrino
Evento di una creazione di una
coppia W+ e W- osservato nel
1983 da Rubbia al
SuperProto-sincrotone
IL BOSONE Z0
Nel 1973 al CERN nella camere a bolle detta
GARGAMELLA si osservarono alcuni eventi in cui un
neutrino interagendo con la materia muta direzione di
moto rimanendo ancora un neutrino, per cui ha bisogno
di un mediatore che sia elettricamente neutro: Z0.
CAMERA A BOLLE
La camera è piena di un liquido a temperatura inferiore a quella
corrispondente a quella di ebollizione. La pressione viene
improvvisamente abbassata e il punto di ebollizione si abbassa.
Il liquido comincia allora a sviluppare bollicine che si formano
di preferenza attorno agli ioni. Le bolle sono visibili se
sottoposte ad un’intensa illuminazione. Quando è terminata
la fase di decompressione viene iniettato il fascio e dopo
vengono fatte lampeggiare le luci che illuminano le bolle, dopo
di che inizia di nuovo la compressione della camera. Il ciclo si
ripete circa una volta al secondo. Le camere a bolle danno una
fotografia dell’evento studiato e che dovrà essere analizzata
per trarne le informazioni volute.
Oltre il Modello standard…
Il modello dà una buona spiegazione dei fenomeni
osservati sperimentalmente
Non spiega perché ci sono 3 famiglie
Non spiega perché solo una è osservabile nel mondo
reale
Non spiega perché una particella ha una certa massa
Non comprende l’interazione gravitazionale.
Ricerca del Bosone di Higgs, responsabile di fornire la
massa delle particelle.
…
Bibliografia
“Fisica 2” A.Caforio, A.Ferilli ed. Le Monnier.
“Fisica vol 3” Amaldi, ed Zanichelli
Materiale cartaceo reperito al CERN
“Le costruzioni della Fisica” vol.B G.Manuzio e
G.Passatore ed. Principato.
www.phunito.it/maina/didattica/lab.SIS.html
